摘要：描述了基于嵌入式Linux的字符設備驅(qū)動程序的設計方法和實現(xiàn)過程。以電機、數(shù)碼管、串口和mini鍵盤的驅(qū)動設計為例，詳細闡述了嵌入式linux下字符設備驅(qū)動設計中的關鍵技術，包括設備的設備號、設備的操作及設備的注冊和卸載等。通過編寫相應硬件設備的應用程序，測試設備驅(qū)動的正確性。介紹了Troolltech公司開發(fā)的開源圖形用戶界面庫-Qt，并使用Qt編程方法設計出良好的人機交互界面。試驗結果表明設計的驅(qū)動程序完全正確，可以被應用程序使用。

1引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式 Linux以其穩(wěn)定性和開放源代碼的優(yōu)點在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中得到廣泛應用。越來越多的軟硬件廠商使用嵌入式 Linux來開發(fā)自己的產(chǎn)品，對基于嵌入式 Linux平臺開發(fā)設備的驅(qū)動程序和應用程序的需求在成倍增長。本文通過實現(xiàn)對 PXA255開發(fā)板外圍字符設備（電機、數(shù)碼管、串口和 mini鍵盤）的操作和控制，詳細討論了嵌入式 linux字符設備驅(qū)動的設計與應用。

2系統(tǒng)的設計框架

系統(tǒng)的設計分為字符設備驅(qū)動程序和人機交互界面兩部分。驅(qū)動程序為應用程序提供了操作設備的接口；人機交互界面的設計實現(xiàn)設備應用程序并完成人機交互的功能。整個系統(tǒng)軟硬件的關系如圖 1：字符設備被映射到 Linux文件系統(tǒng)的文件和目錄，通過文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口 open(),write(),read(),close()等函數(shù)訪問字符設備，實現(xiàn)設備的操作。

圖 1 系統(tǒng)軟硬件的關系

3系統(tǒng)字符設備驅(qū)動程序的設計方法

Linux驅(qū)動程序是設備與具體的應用程序的中間層，它提供操作設備的接口，應用程序員不需要知道具體設備工作細節(jié)，只要調(diào)用一組標準化的函數(shù)就能完成對設備的操作，這些標準化的函數(shù)與具體的驅(qū)動沒有關系，而將這些函數(shù)映射到作用于具體設備上的操作則與驅(qū)動程序相關[1]。Linux設備分為字符設備，塊設備和網(wǎng)絡設備，字符設備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設備。以下通過描述字符設備（電動機、數(shù)碼管、串口、mini鍵盤）驅(qū)動的實現(xiàn)方法，深入討論了基于嵌入式 linux的字符設備驅(qū)動的設計方法和實現(xiàn)過程。

3.1初始化函數(shù)與清除函數(shù)

Linux系統(tǒng)中，設備驅(qū)動的初始化函數(shù)負責注冊設備，并完成驅(qū)動程序必要的初始化以及申請中斷等[2]，Linux系統(tǒng)使用 module_init宏指定初始化函數(shù)。在初始化函數(shù)中調(diào)用 regiSTer_chrdev函數(shù)向系統(tǒng)注冊字符設備，通過 request_IRq 函數(shù)申請中斷。例如電機設備的初始化函數(shù)如下：

　　static int __init moto_init(void){

　　int ret;

　　ret = register_chrdev(MOTO_MAJOR, "moto", &moto_fops);//注冊電機設備

　　if (ret) {

　　printk(KERN_ERR "%s: can‘t get major %d.n",

　　__func__, MOTO_MAJOR);

　　return ret;

　　}

　　printk(KERN_INFO "%s: register moto device successfully.n", __func__);

　　return 0;

　　} 其中，register_chrdev函數(shù)的第一個參數(shù)為主設備號，如果為0 則系統(tǒng)為此驅(qū)動程序動態(tài)地分配一個主設備號；第二個參數(shù)是設備名稱，這里是以moto為設備名稱；第三個參數(shù)moto_fops是默認的struct file_operations結構體 [3]。

清除函數(shù)的功能和初始化函數(shù)的功能相反，它將驅(qū)動程序所占用的系統(tǒng)資源、中斷號進行釋放。Linux系統(tǒng)使用 module_exit宏指定清除函數(shù)。

3.2中斷

在 Linux 系統(tǒng)中，中斷是由系統(tǒng)來管理與維護的。中斷服務子程序在初始化函數(shù)中調(diào)用 request_irq 函數(shù)與相應中斷號關聯(lián)，并將該中斷的相關信息添加到系統(tǒng)的中斷信息列表中。中斷發(fā)生時， Linux系統(tǒng)響應中斷號來實現(xiàn)中斷處理程序的執(zhí)行。mini鍵盤按鍵觸發(fā)產(chǎn)生中斷號為 SIMPLE_KEY_IRQ的中斷，系統(tǒng)自動檢索并調(diào)用鍵盤中斷服務子程序。鍵盤中斷處理流程如圖 2：

3.3 設備驅(qū)動接口的實現(xiàn)

在Linux內(nèi)核中，字符設備使用 struct file_operations結構體來實現(xiàn)設備的各種操作接口，這些操作主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，命名為 open、read等等。file_operations結構是定義在 <linux/fs.h>中的函數(shù)指針數(shù)組，每個設備文件都與它自己的操作函數(shù)相關聯(lián)。編寫字符設備驅(qū)動程序，主要是實現(xiàn) struct file_operations結構中的各個函數(shù)。

本系統(tǒng)各設備驅(qū)動的設計主要實現(xiàn) open、read、write和 release這四個方法接口。 file_operation結構成員如下： /* DEVICE驅(qū)動程序設備操作方法集 */ struct file_operations device_fops = {

open方法提供給驅(qū)動程序以初始化的能力，從而為以后的操作完成初始化做準備。本系統(tǒng)中存在多個設備共用一個驅(qū)動的情況，驅(qū)動中的 open方法程序框架如下：

　　int device_open(struct inode *inode, struct file *filp){ int minor = MINOR(kdev); //次設備號的讀取 switch(minor) {

　　case first_device: device_first_vaddr = (unsigned long)ioremap (DEVICE_ FIRST _ADDR, 2);

　　……

　　case second_device:

　　……

　　default:

　　……

　　}  MOD_INC_USE_COUNT; // 遞增模塊引用計數(shù) , 防止模塊在使用中被卸載  if (down_interruptible(&device_mutex)) { …… }； }

1）open方法調(diào)用 MINOR(kdev)宏實現(xiàn)次設備號的讀取，使用 switch語句完成設備的匹配初始化。Linux系統(tǒng)為每一個設備分配了一個主設備號和次設備號。主設備號標識具體的設備驅(qū)動程序，次設備號標識具體設備。開發(fā)板電機設備有直流電機和步進電機，它們的主設備號都是 252，次設備號分別為 0和 1。數(shù)碼管、串口、 mini鍵盤的驅(qū)動設計只針對單個設備，次設備號設計為 0。

2）ioremap函數(shù)在 open方法中實現(xiàn)對電機、數(shù)碼管、串口、mini鍵盤寄存器的訪問。 PXA255處理器有專門的存儲器管理單元（MMU），在驅(qū)動中不能直接對設備 I/O內(nèi)存的物理地址進行讀寫，需要調(diào)用ioremap 等內(nèi)核函數(shù)將寄存器的實際物理地址映射到內(nèi)核統(tǒng)一的地址空間中，從而實現(xiàn)了對物理地址的間接調(diào)用。例如寄存器 DEVICE_ FIRST _ADDR的讀寫操作，通過讀寫 device_first_vaddr變量實現(xiàn)。在 asm/arch/pxa-regs.h頭文件中定義了各種寄存器的宏，文件中的宏變量都是經(jīng)過地址映射的可以直接使用。

release方法的作用正好與 open相反，通過調(diào)用 iounmap函數(shù)撤銷 device設備的虛擬地址映射，同時釋放互斥鎖，遞減模塊引用計數(shù)，當模塊引用計數(shù)減到 0時，close函數(shù)才能真正的關閉設備。read和 write方法的任務是相似的，主要完成用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)拷貝。

read方法程序框架如下：

　　ssize_t device_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *offp){

　　……

　　if (copy_to_user(buf, (u8 *)&BUF, count)) { ……} //寫數(shù)據(jù)給用戶空間

　　return count; // 返回成功讀取的字節(jié)數(shù) }

其中，copy_to_user函數(shù)實現(xiàn)內(nèi)核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝。應用程序調(diào)用該方法接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收。

write方法的實現(xiàn)同read方法類似。通過調(diào)用 copy_from_user函數(shù)實現(xiàn)用戶空間到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝。該方法接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、LED和MOTO控制寄存器的設置。

3.4 驅(qū)動的裝載和卸載

Linux驅(qū)動程序的編譯加載有兩種方式。一種是編譯成模塊在運行時加載，不需要重新啟動內(nèi)核，它使用 insmod工具將驅(qū)動模塊加載進內(nèi)核，使用 rmmod從內(nèi)核中卸載模塊。該方法實現(xiàn)如下：1)編譯驅(qū)動并下載驅(qū)動到開發(fā)板：$ arm-linux-gcc device_driver.c -I /home/eflag/kernel/include/ -c生成 device_driver.o文件，通過 tftp工具下載到開發(fā)板；2)驅(qū)動的加載：$ insmod device_driver.o。設備驅(qū)動的加載成功后,可以編寫應用程序進行設備驅(qū)動的檢測；3)驅(qū)動的卸載：$ rmmod device_driver。

另一種是將驅(qū)動程序靜態(tài)編譯進內(nèi)核，再運行新的內(nèi)核來測試驅(qū)動，該方法是在linux系統(tǒng)字符設備驅(qū)動文件夾linux/driver/char/中加入設備驅(qū)動源程序，同時修改 makefile文件，重新編譯內(nèi)核，下載新內(nèi)核到開發(fā)板，系統(tǒng)啟動后自動加載設備驅(qū)動 [3]。在驅(qū)動加載成功后就可以對該驅(qū)動的設備進行讀寫等操作。 4 Qt人機界面的實現(xiàn)

Qt是由 Troolltech公司開發(fā)的一套開源圖形用戶界面庫。它給應用程序開發(fā)者提供了開發(fā)圖形界面所需的各種功能。Qtopia core是嵌入式環(huán)境下所使用的 Qt，很多嵌入式產(chǎn)品如 PDA、手機都采用 qtopia core的圖形庫作為人機界面設計的框架。本系統(tǒng)使用 qtopia core的圖形庫進行用戶界面的開發(fā)。

4.1 Qt應用程序的設計

Qt的事件驅(qū)動機制是 single/slot（信號/槽）機制，通過 connect函數(shù)連接控件信號（Single）與槽函數(shù)(slot）。首先控件觸發(fā)產(chǎn)生 Single信號，然后由 signal信號觸發(fā)執(zhí)行槽函數(shù)[4]。本系統(tǒng)中槽函數(shù)為具體設備應用程序。

設備應用程序的開發(fā)主要是系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用，如 open（打開設備），read/write（讀寫設備），close（關閉設備）等。本系統(tǒng)設備應用程序開發(fā)如下： RS232收發(fā)數(shù)據(jù)功能； LED跑馬燈功能；操控電機轉(zhuǎn)動功能；mini鍵盤鍵值讀取功能。

Linux系統(tǒng)中設備作為文件被訪問，對設備進行訪問前需建立設備節(jié)點：

　　$mknod /dev/device_name c MAJOR MINOR

其中 device_name是設備節(jié)點名， c是字符設備標志， MAJOR是主設備號，MINOR是

次設備號。open函數(shù)使用/dev/device_name作為文件路徑來打開設備。

4.2Qt應用程序的運行

1）編譯 Qtopia core應用程序生成可執(zhí)行文件 application。通過 tftp工具下載可執(zhí)行文件到開發(fā)板；2）開發(fā)板中 application可執(zhí)行文件的運行： $ chomd +x application $ ./application –qws。

LCD顯示器顯示人機交互界面如圖 3，通過輸入設備如鼠標、鍵盤、觸摸屏可以完成設備的操作。

5 總結

實現(xiàn)了電機、數(shù)碼管、串口和 mini鍵盤的驅(qū)動程序和應用程序的開發(fā)，設計了人機交互界面。本文作者創(chuàng)新點：詳細分析了嵌入式 Linux下字符設備驅(qū)動程序的構建過程。整個系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)過程對嵌入式 Linux系統(tǒng)的開發(fā)有一定的參考價值。